分析地铁工程车站深基坑的施工
摘 要:本文结合工程实例对地铁车站基坑围护、支撑轴力等监测数据进行分析,经过验算,同时就施工的过程谈了自己的一些看法。
关键词:地铁工程,车站,深基坑,围护,施工
1 工程概况
某地铁站周围环境复杂,地下管线众多,周围居民住宅楼离基坑较近,住宅楼均为砖混结构,毛石基础整体性差。为保护周围环境,要求侧墙水平累计变形<5 cm,日变化量<2 mm。该站围护结构采用800 mm地下连续墙和5道Φ609mm(壁厚t=16mm)钢支撑,基坑深16·9～17·6 m,地下墙长37 m,入土比约1·19～1·1,墙脚落于④2层粘土层中。坑底进行旋喷加固,加固要求28天无侧限抗压强度>1·5MPa。标准段采用每隔3 m抽条加固,加固带宽度和厚度都为3 m,端头井采用裙边+抽条形式。考虑到基坑范围内砂性土厚度较大,车站采用复合墙体系,内部结构全包防水。
1.1 工程地质、水文地质条件及其评价
在基坑开挖深度范围内土层依次为①1层杂填土、①2层素填土、③2层砂质粉土、③3层砂质粉土、③6层粉细砂夹砂质粉土、④2层淤泥质粉质粘土、④3层淤泥质粉质粘土。③2～③6层粉土、粉砂,其特性为饱水振动易液化,极易坍塌变形、稳定性差,易产生流砂现象。④2层、④3层淤泥质粉质粘土层是典型的软土地层,流塑状,高含水量,高压缩性,低强度,对基坑的稳定性和变形均不利。
拟建场地浅层地下水属孔隙性潜水,地下水水位年变幅为1·0～2·0 m,多年平均高水位埋深0·5～1·0m。基坑开挖前对基坑进行降水,表层填土及③2～③6层粉土、粉砂中的降水效果较好,赋存于④2层、④3层的潜水,降水效果较差。
1.2 设计工况
设计考虑采用换撑施工,施工工艺如图1所示。基坑明挖至坑底后浇筑垫层、底板,待达到设计强度后拆除第5道钢支撑,施做侧墙,待侧墙达到设计强度后进行第四道支撑换撑(将支撑在围护体上的第四道支撑卸力并重新拼管下放至结构侧墙并施加预应力),然后进行剩余侧墙和中板结构的浇筑。
2 常规换撑方法及比较
2.1 常规回筑换撑方法
由于一般地下二层车站底板距离中板结构的净高>7 m,在底板浇筑好后至中板施工期间内,底板距离第三道钢支撑约有8 m的间距,通常基坑围护设计中需保留一道支撑以控制围护结构的变形。目前,这种换撑施工有以下3种做法。
方法一:将支撑在侧墙和中板结构一次性浇注时包于结构侧墙内。该种方法在上海地区的没有外包防水的叠合体系衬墙中经常被采用。在支撑两端用型钢+止水钢板代替穿越侧墙的钢支撑,回筑结构封顶后割除。
方法二:即需要将侧墙浇筑至需换撑的支撑下,待侧墙达到设计强度后将支撑换至已浇筑好的侧墙处。该方法适合于全外包防水的复合衬墙,且是较常规的方法,本工程原设计采用此法。
方法三:利用钢套筒内嵌入型钢+止水钢板+预先铺设防水板的新工艺。该方法考虑了复合墙体系中侧墙的全包防水和型钢的回收利用。但在实际施工中,经常会有防水板在施工中损坏且难以修复,以致后期钢套筒周围有渗漏水现象。
2.2 常规换撑方法的缺点
2.2.1 工程量大
地下墙围护墙宽一般不大于6 m,每幅地下墙每道设2根支撑。以水平方向每3 m一道,以一个结构段26 m考虑,支撑数量在8根左右,工程数量大。
2.2.2 操作难度大
结构侧墙施做至需要换撑的支撑下后,需先将支撑卸力,将支撑在围护体上的支撑重新配管(减掉主体侧墙厚度),重新吊装至已施工好的侧墙上,且要求侧墙达到设计强度。以上施工是在已经搭设完成的侧墙高度的满堂脚手架上进行,在重新架设前需先将脚手架拆除落低,再在脚手架上铺设承木板方木进行换撑操作,稍有不慎就会对满堂架形成碰撞,造成整体失稳。由于钢支撑本身质量重,单根拆装十分困难和难以操作。按照同类车站的施工经验,估计吊换一根钢支撑需要一天时间,功效低下且影响下一步施工。
由于钢支撑直径为609 mm,脚手架一般立杆间距为0·9 m,钢支撑需要放于立杆之间,换撑时需要调整换撑位置,落低的脚手架拆除工作量较大。
2.2.3 模板工艺难度增加
混凝土浇筑时,支立侧墙模板需要穿越支撑活络头或法兰,模板穿洞后封堵费时长,效果差,浇筑时容易漏浆,混凝土浇筑质量差。
2.2.4 拆除吊装困难
换撑后的钢支撑需在顶板施做完成后才进行拆除,拆除在下二层内进行,此时大型吊机利用不上,需使用手拉葫芦进行拆除,再利用自制架子车运至预留吊装孔边上再行吊出,施工费时费力。换撑直接回筑在侧墙中也存在这些问题。
3 换撑优化
3.1 换撑优化的提出
根据该站基坑的实际情况,确定优化取消第四道换撑,基于以下有利条件:
(1)围护体位移在开挖过程中稳定,变形速率和累积变形量均较小;
(2)支撑轴力变化小,开挖开始到开挖到底数值变化范围小;
(3)地质条件较好,该车站处于砂质粉土降水效果好,被动土压力得到有效发挥,有利于基坑变形控制;
(4)地下墙施工质量尤其是接缝处质量较好,基坑基本无渗漏;
(5)抽条加固体的施工质量好,也一方面提高了坑底土的被动抗力;
(6)进行换撑优化的基坑安全性验算,理论结合实际,先试验后实施,效果好。
3.2 监测数据分析
按照取消第四道换撑的优化方案实施,取CX8、CX9、CX10三个测斜点,所处结构段以下3个节点间时间段的监测数据变化作为参考:底板浇筑～最底层支撑拆除、最底层支撑拆除后～支撑下侧墙浇筑、支撑下侧墙浇筑后～预计拆除第四道支撑前,以3个节点前后作为分析计算依据,见表1。
根据表1数据可以看出:
(1)在底板浇筑前后,由于坑内土层因降水引起的被动抗力的提高较大,基坑坑底加固效果较好,基坑底板浇筑前后侧墙水平变位日变化量<3 mm,支撑轴力变化较小且远小于报警值;
(2)可以判断出围护结构在开挖到底至底板达到设计强度期间稳定性好,抵抗变形的能力较强;
(3)可以拆除第四道支撑暂不换撑,直接进入下一道工序。
3.3 基坑换撑优化方案安全性检算
取消第四道支撑换撑,结合监测数据并调整基坑土层的土层参数,经计算,结果如图2。
从计算结果可以看出,取消第四道换撑,基坑变形和支撑稳定性都满足规范要求,原围护结构截面和配筋都满足计算弯矩和剪力。通过结构验算,取消第四道换撑,围护结构是安全的,基坑是稳定的。
3.4 监测数据跟踪验证
按照取消第四道换撑的优化方案实施,取CX8、CX9、CX10三个测斜点所处结构段以下节点间时间段的监测数据变化作为参考,结果见表2。
通过对拆除四道支撑至中板浇筑完成后的时间段内观察,围护各项监测数据可以总结以下两点:
(1)拆除第四道支撑后,围护墙水平位移单日变化量≯3 mm,累计增大变形量只有2 cm左右。
另外第一道支撑轴力值在支撑拆除前后变化较小,第二、三道支撑轴力增大,符合工况变化轴力增大的一般规律,说明拆撑前后基坑稳定,基坑的水平位移在可控范围内;
(2)根据监测及多方面的综合考虑,且根据安全计算进行不换撑施工后,根据继续的监测数据分析该方案是安全可行的。
4 确定换撑优化实施步骤
为确保基坑的安全,需对不换撑施工工序做周密的安排。首先进行第三道及第一、二道支撑的轴力复加→第四道支撑卸力、吊出→监测数据分析,判断基坑的安全性→快速组织下段侧墙和顶板的结构回筑。以上施工步骤中在第四道支撑卸力、吊出后应密切关注分析基坑的监测数据,并做好应急预案。
5 结语
由于地铁车站地下二层层高一般有7 m左右,考虑基坑的变形要求和围护结构的承载能力,通常设计均考虑有换撑工况。本次优化是结合该基坑工程换撑前的累计变形情况、地质条件并经过基坑变形和稳定计算的前提下实施的。通过取消第四道支撑的换撑,极大的节省了人力物力和工期。根据该站成功的实践效果,可以总结出以下几点经验:
(1)严格控制围护结构的施工质量,在开挖过程中遵循“时空效应”规律,可确保基坑安全,有效
地控制基坑变形;
(2)坑内砂性土体通过降水措施可有效地提高被动抗力,利于基坑开挖变形控制;
(3)坑底旋喷加固体起到了坑底支撑作用,利于基坑的变形控制;
(4)充分借助信息化施工手段,结合基坑的实际情况,在监测数据和理论分析的基础上可以取消换撑施工,值得同类型基坑借鉴参考。
参考文献:
[1] 林鸣,徐伟.深基坑工程信息化施工技术[M].北京:中国建筑工业出版社, 2006。